用NiosII搭建的固態(tài)盤(pán)設備系統

　　引言

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，人們不斷地追求更好的新型存儲設備。目前海量存儲領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品非硬盤(pán)莫屬，而固態(tài)盤(pán)則被認為是一種最有可能取代硬盤(pán)的全新解決方案。與硬盤(pán)相比，其主要的優(yōu)勢在于能夠達到更高速度、更小體積、更低功耗、更小噪聲、更高可靠性，同時(shí)與硬盤(pán)一樣使用方便。

　　廣義上講，固態(tài)盤(pán)設備包括所有使用半導體芯片作為存儲介質(zhì)的存儲設備，例如使用動(dòng)態(tài)RAM存儲數據的某些特定設備，或是CF/SD/MMC卡等同樣使用閃存存儲數據但使用了其他接口的存儲設備；但狹義上講，固態(tài)盤(pán)僅指使用NAND型閃存存儲數據，使用ATA/SATA/SCSI等接口，在行為上與硬盤(pán)完全一致的存儲器。在下文中，固態(tài)盤(pán)一詞僅指狹義上的固態(tài)盤(pán)。本文介紹的是一種使用ATA接口的固態(tài)盤(pán)的實(shí)現方法。

　　1 系統設計

　　系統對外的主要功能是通過(guò)ATA接口完成數據的讀/寫(xiě)，與NAND型閃存芯片間的數據交換是通過(guò)緩存來(lái)完成的，對閃存芯片的讀/寫(xiě)操作由系統內部完成。

　　ATA協(xié)議中含有專(zhuān)門(mén)針對閃存而設計的CFA指令部分，包含了閃存擦寫(xiě)等指令內容，CF（Compact Flash）卡即使用了該命令集；而普通硬盤(pán)使用的ATA接口一般不使用該命令集，操作中只涉及數據的讀/寫(xiě)操作和一些輔助特性的設置。因此在固態(tài)盤(pán)設計中不能利用CFA指令將ATA接口直接轉接至閃存接口，必須在系統內部自動(dòng)處理與閃存相關(guān)的操作，即通過(guò)系統的內部處理向上隱藏這一操作細節。

　　可以在系統中通過(guò)數據緩存來(lái)把ATA端操作和閃存端操作分離開(kāi)來(lái)，這樣就可以方便地解決傳輸協(xié)議的轉換和管理問(wèn)題?；谶@種設計思路，綜合考慮閃存的管理、與ATA協(xié)議的銜接等問(wèn)題，可以將實(shí)現系統時(shí)的主要問(wèn)題歸結為如下兩個(gè)方面：

　?、?數據緩存管理，主要面對與主機端數據交換如何發(fā)生的問(wèn)題，包括緩存數據的建立、查詢(xún)、維護、失效、銷(xiāo)毀等問(wèn)題。

　?、?數據存儲管理，主要面對數據在閃存中的物理存儲問(wèn)題，包括均衡磨損、壞塊映射等問(wèn)題。

　　由此得到的系統邏輯結構框圖如圖1所示。

圖1 固態(tài)盤(pán)設備系統邏輯結構框圖

　　在具體的實(shí)現中，系統使用獨立的硬件接口完成ATA接口控制和NAND型閃存控制；使用大容量SDRAM芯片作為數據緩存，由Nios處理器負責調度數據流；使用Avalon總線(xiàn)連接所有模塊，提供快速響應的控制連接和高帶寬的數據連接。

　　在Nios上運行的軟件負責所有組件的控制。由于需要確保響應時(shí)間，軟件中不使用包括實(shí)時(shí)操作系統在內的任何嵌入式操作系統，所有軟件直接貼近硬件事件設計，重要事件采用中斷響應，普通事件采用輪詢(xún)響應。

　　2 系統硬件設計

　　系統采用SOPC的設計方式，使得硬件系統獲得相當高的靈活度；而將所有控制邏輯集成在一個(gè)FPGA內部的設計方法，在增強了系統可靠性的同時(shí)，也降低了對外部板級電路的設計要求。系統除FPGA芯片以外，還使用了數據存儲用NAND型閃存芯片、緩存用SDRAM、ATA接口連線(xiàn)以及Nios程序的代碼存儲/運行的相關(guān)芯片。

　　2.1 Nios系統簡(jiǎn)介

　　一個(gè)基于Nios的SOPC系統主要包括Nios處理器、Avalon總線(xiàn)結構和其他通過(guò)總線(xiàn)互連的組件模塊。

　　Nios處理器主要分為兩代，即Nios處理器和NiosII處理器?，F在廣泛使用的是NiosII處理器，下文均是針對NiosII處理器。最新的Avalon總線(xiàn)標準是一套擁有AvalonMM和AvalonST兩套分支標準的SOPC總線(xiàn)規范。下文中Avalon總線(xiàn)一詞泛指這兩套規范。在A(yíng)ltera提出的SOPC設計概念當中，兩者將分別用于不同的數據應用，因此兩者的基本結構差異很大：AvalonMM接口是一套互聯(lián)式總線(xiàn)接口，主要用于多節點(diǎn)的互聯(lián)；而AvalonST接口是一種單向點(diǎn)對點(diǎn)的接口，主要用于單向高速數據流的傳輸。在SOPC設計中，可以針對不同需求將二者結合起來(lái)使用，以提高設計的工作性能。由于A(yíng)valonST接口是最近剛剛提出的，目前廣泛使用的是AvalonMM接口，在一般設計中，完全能夠提供足夠的傳輸帶寬。

　　2.2 硬件平臺結構

　　硬件系統即FPGA內部基于NiosII處理器的SOPC系統，包括ATA控制器、NAND型閃存控制器、DMA控制器、2個(gè)SDRAM控制器、CFI接口閃存控制器以及其他輔助組件等，其結構框圖如圖2所示。

圖2 固態(tài)盤(pán)設備硬件系統結構

　　在該結構中，使用一塊SDRAM作為NiosII處理器的程序運行空間，使用一塊CFI接口的閃存作為NiosII處理器的軟件代碼的存儲空間，其他I/O和其他組件包括了定時(shí)器、調試端口以及用于顯示系統狀態(tài)的PIO端口等?？偩€(xiàn)DMA控制器用于完成NAND型閃存與緩存空間之間的數據交換。ATA控制器則負責ATA接口的實(shí)現，并根據配置參數利用自帶的DMA控制器直接完成與緩存之間的數據交換。NiosII處理器通過(guò)控制總線(xiàn)DMA控制器和ATA控制器來(lái)管理整個(gè)系統的數據流，實(shí)現靈活的管理策略。